Kilatan cahaya ultra-pendek memutus ikatan antara elektron (merah) dan lubang (biru), memungkinkan penelitian tentang proses transfer muatan dalam semikonduktor yang atomnya tipis. Kredit: Lukas Kroll, Jan Philipp Bange, Marcel Reutzel, Stefan Mathias: Kemajuan Sains DOI: 10.1126/sciadv.adi1323
Para peneliti mengungkap bagaimana muatan listrik ditransfer pada antarmuka setebal atom antar semikonduktor.
Semikonduktor ditemukan di mana-mana dalam teknologi kontemporer, berfungsi untuk memfasilitasi atau menghalangi aliran listrik. Untuk memahami potensi dua dimensi semikonduktor untuk teknologi komputer dan fotovoltaik masa depan, para peneliti dari Universitas Göttingen, Marburg, dan Cambridge menyelidiki ikatan yang terbentuk antara elektron dan lubang yang terkandung dalam bahan-bahan ini.
Dengan menggunakan metode khusus untuk memutuskan ikatan antara elektron dan lubang, mereka dapat memperoleh wawasan mikroskopis mengenai proses transfer muatan melintasi antarmuka semikonduktor. Hasilnya dipublikasikan di Kemajuan Ilmu Pengetahuan.
Ketika cahaya menyinari semikonduktor, energinya diserap. Akibatnya, elektron bermuatan negatif dan lubang bermuatan positif bergabung dalam semikonduktor membentuk pasangan, yang dikenal sebagai eksiton. Pada semikonduktor dua dimensi paling modern, eksiton ini mempunyai energi ikat yang luar biasa tinggi. Dalam studi mereka, para peneliti memberikan tantangan untuk menyelidiki lubang eksiton.
Seperti yang dijelaskan oleh fisikawan dan penulis pertama Jan Philipp Bange dari Universitas Göttingen: “Di laboratorium kami, kami menggunakan spektroskopi fotoemisi untuk menyelidiki bagaimana penyerapan cahaya dalam material kuantum mengarah pada proses transfer muatan. Sejauh ini, kita telah berkonsentrasi pada elektron yang merupakan bagian dari pasangan lubang elektron, yang dapat kita ukur menggunakan alat analisa elektron. Hingga saat ini, kami tidak memiliki cara untuk mengakses lubang tersebut secara langsung. Jadi, kami tertarik dengan pertanyaan tentang bagaimana kami dapat mengkarakterisasi tidak hanya elektron dari eksiton tetapi juga lubangnya.”
Teknik Eksperimental Baru
Untuk menjawab pertanyaan ini, para peneliti, yang dipimpin oleh Dr Marcel Reutzel dan Profesor Stefan Mathias di Fakultas Fisika Universitas Göttingen, menggunakan mikroskop khusus untuk fotoelektron yang dikombinasikan dengan laser intensitas tinggi. Dalam prosesnya, putusnya suatu eksiton menyebabkan hilangnya energi elektron yang diukur dalam percobaan.
Reutzel menjelaskan: “Kehilangan energi ini merupakan karakteristik eksiton yang berbeda, bergantung pada lingkungan tempat elektron dan lubang berinteraksi satu sama lain.” Dalam studi saat ini, para peneliti menggunakan struktur yang terdiri dari dua semikonduktor atom yang berbeda untuk menunjukkan bahwa lubang eksiton berpindah dari satu lapisan semikonduktor ke lapisan lainnya, mirip dengan sel surya. Tim Profesor Ermin Malic di Universitas Marburg mampu menjelaskan proses transfer muatan ini dengan model yang menggambarkan apa yang terjadi pada tingkat mikroskopis.
Mathias merangkum: “Di masa depan, kami ingin menggunakan tanda spektroskopi interaksi antara elektron dan lubang untuk mempelajari fase baru dalam material kuantum pada skala waktu dan panjang yang sangat pendek. Studi semacam ini dapat menjadi dasar pengembangan teknologi baru dan kami berharap dapat berkontribusi terhadap hal ini di masa depan.”
Referensi: “Menyelidiki korelasi Coulomb lubang elektron dalam lanskap eksiton heterostruktur semikonduktor bengkok” oleh Jan Philipp Bange, David Schmitt, Wiebke Bennecke, Giuseppe Meneghini, AbdulAziz AlMutairi, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Daniel Steil, Sabine Steil, R. Thomas Weitz, GS Matthijs Jansen, Stephan Hofmann, Samuel Brem, Ermin Malic, Marcel Reutzel dan Stefan Mathias, 7 Februari 2024, Kemajuan Ilmu Pengetahuan.
DOI: 10.1126/sciadv.adi1323
Penelitian ini mendapat manfaat dari pendanaan German Research Foundation (DFG) untuk Pusat Penelitian Kolaboratif “Kontrol Skala Atom Konversi Energi” dan “Matematika Eksperimen” di Göttingen dan “Struktur dan Dinamika Antarmuka Internal” di Marburg.